三軸向沖擊載荷作用下RDX基PBX炸藥損傷模式與表征

蔡宣明， 張 偉， 高玉波， 范志強

(1. 中北大學(xué) 地下目標毀傷技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，太原 030051； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 高速撞擊研究中心，哈爾濱 150080)

PBX炸藥具有高能鈍感以及低密度特性，且力學(xué)性能較為穩(wěn)定，在導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部裝藥及大型攻擊性武器中的應(yīng)用尤為廣泛[1-3]。而戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)無論在何種武器當(dāng)中都是薄弱環(huán)節(jié)，在高速侵徹攻擊目標過程當(dāng)中，時常因裝藥結(jié)構(gòu)損傷而引起局部“熱點”從而使得戰(zhàn)斗部提前起爆，大大削弱了對攻擊目標的毀傷作用，甚至因暴露導(dǎo)彈軌跡而自身安全受到威脅，攻防兩端將引起一連串不可預(yù)估的后果[4-5]。因此，對戰(zhàn)斗部裝藥意外起爆的損傷源頭研究迫在眉睫。

PBX炸藥損傷特性研究是當(dāng)前國際熱點和難點問題，近年來，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對戰(zhàn)斗部損傷研究報道主要集中在準靜態(tài)及SHPB動態(tài)加載下的宏觀和細觀損傷分析[6-7]。李俊玲等[8]應(yīng)用巴西圓盤實驗實現(xiàn)間接拉伸的方式對某PBX炸藥的損傷特性進行分析，并應(yīng)用晶體顆粒穿晶斷裂和脫黏理論對PBX炸藥細觀損傷進行表征，認為脫黏裂紋在載荷作用初期就已發(fā)生。陳鵬萬[9]將實驗和理論相結(jié)合，對某高聚物黏結(jié)炸藥細觀損傷進行研究和探索，其研究結(jié)果表明，晶體顆粒表面與黏結(jié)劑脫黏，以及黏結(jié)劑成穴失效是PBX炸藥損傷最主要的破壞機理。Gould等[10]對PBX炸藥從損傷到失效過程的轉(zhuǎn)變進行了預(yù)言，其應(yīng)用損傷本構(gòu)模型中的一個簡單損傷參數(shù)來預(yù)言PBX炸藥的力學(xué)響應(yīng)特性，而非用于表征細觀損傷特點，Gould等采用滲透理論來區(qū)別PBX炸藥細觀結(jié)構(gòu)脫黏損傷和裂紋形式失效，并應(yīng)用該理論對晶體顆粒的破裂量和破裂尺寸進行預(yù)測。Ellis等[11]在靜態(tài)應(yīng)變率加載條件和一定溫度下完成 EDC37的力學(xué)拉伸實驗進行研究含能材料力學(xué)性能與損傷演化之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。綜合分析國內(nèi)外對PBX炸藥損傷特性的研究報道，很多研究報道多集中在準靜態(tài)和SHPB加載方式下的研究成果，而對PBX炸藥在高g值載荷作用下的細觀損傷模式及其與損傷度相關(guān)的影響因素之間的量化關(guān)系研究亟少。

本研究基于一級輕氣炮，對PBX炸藥在三軸向沖擊加載作用下的損傷特性展開實驗研究，結(jié)合數(shù)值模擬手段，探索PBX炸藥試件實驗后的密度與外載荷之間的量化關(guān)系，并應(yīng)用掃描電子顯微鏡(SEM)和Griffith顆粒裂紋斷裂強度理論研究PBX炸藥在徑向約束條件下的細觀損傷形式及機理。

1 實 驗

1.1 實驗材料及試件

文中研究的RDX基PBX炸藥主要由RDX晶體顆粒、Al粉、端羥基聚丁二烯組成，其中RDX約占40%質(zhì)量分數(shù)，Al粉約占24%質(zhì)量分數(shù)，端羥基聚丁二烯約占總質(zhì)量分數(shù)剩余的36%。圖1是PBX炸藥細觀結(jié)構(gòu)形貌，由圖1可知，該PBX炸藥晶體顆粒端面清晰，其與黏結(jié)劑無空隙連接；黏結(jié)劑光滑且無初始損傷微裂紋，晶體顆粒大小各有差異，其直徑尺寸主要在50～300 μm，呈多層狀，不規(guī)則分布于聚合物中。該PBX炸藥試件由模具澆注而成，力學(xué)性能較為穩(wěn)定，其密度為1.65 g/cm3，實驗試件尺寸為Φ20×5 mm。

圖1 PBX炸藥細觀結(jié)構(gòu)形貌

1.2 實驗裝置

三軸向沖擊載荷作用下PBX炸藥的一系列損傷特性實驗研究在哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一級輕氣炮進行。圖2是三軸向沖擊加載裝置示意圖，子彈材料為45#鋼，尺寸為Φ20×60 mm；引導(dǎo)柱材料為裝甲鋼，其撞擊端尺寸為Φ90×30 mm，套筒材料為45#鋼，外徑為Φ90 mm，內(nèi)徑為Φ20 mm，長度為200 mm，通過控制一級輕氣炮高壓倉中的壓力進而調(diào)整實驗彈體的沖擊速度，采用BC-202型雙路爆速儀來測量子彈的沖擊速度，子彈撞擊引導(dǎo)柱，將能量傳遞給PBX炸藥試件，通過安裝在PBX炸藥端面的壓電傳感器監(jiān)測其應(yīng)力狀態(tài)，由測試系統(tǒng)監(jiān)測到的實驗數(shù)據(jù)經(jīng)TDS5054B Digital Phosphor Oscilloscope轉(zhuǎn)換為電信號，進而完成三軸向沖擊壓力實驗數(shù)據(jù)的采集。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果

為全面認識PBX炸藥在三軸向載荷作用下的損傷模式與載荷壓力之間的量化關(guān)系，從而由較小沖擊載荷開始，并逐漸增大作用載荷，直至損傷模式量化關(guān)系確定，進行了一系列實驗研究，結(jié)果如表1所示。

在本實驗研究中，該PBX炸藥試件在三軸向加載方式下，其軸向和徑向有邊界條件約束，因此，從實驗后回收到的試件在宏觀上幾乎看不到明顯的損傷破壞特征(如圖3所示)，即使沖擊速度及沖擊壓力不斷的增大，PBX炸藥試件的邊緣也只出現(xiàn)極小的擠壓碎片，整體上幾乎沒有宏觀損傷特性。但在較大沖擊載荷作用下(356.7 Mpa)，試件端面出現(xiàn)擠壓變形。

2.2 不同載荷壓力對損傷密度的影響

實驗后的試件密度變化是分析PBX炸藥在三軸向沖擊載荷作用下?lián)p傷特性的一個重要表征方式，尤其是在加載過程中的試件密度狀態(tài)，而實驗過程當(dāng)中無法全程監(jiān)測試件密度變化，但是，可通過數(shù)值模擬計算監(jiān)測PBX炸藥試件在整個實驗過程中的密度狀態(tài)。仿真計算的準確性及有效參考價值，是建立在PBX炸藥材料本構(gòu)模型及失效準則的準確性上，而作者前期研究工作已完成該PBX炸藥本構(gòu)關(guān)系的建立及失效準則的定義，且已通過實驗驗證其準確性及可行性，該PBX炸藥本構(gòu)模型表達如下

(1)

三軸向沖擊加載過程中，PBX炸藥材料采用Grüneisen狀態(tài)方程，其相關(guān)參數(shù)如表2所示；定義Grady Spall 模式為失效準則，其相關(guān)參數(shù)如表2所示。

圖3是實驗和仿真結(jié)果中試件變形破壞形式，由圖可知，實驗中試件宏觀損傷，隨著沖擊載荷壓力的增大，試件端面(與壓電傳感器接觸端)發(fā)生擠壓變形，且其端面邊緣位置產(chǎn)生部分材料脫落現(xiàn)象；仿真模擬所得到的試件變形形式與實驗結(jié)果較為相似，試件端面內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)較高，其邊緣應(yīng)力狀態(tài)明顯減弱。

圖4是在子彈速度為17.6 m/s下，仿真計算得到的試件在整個加載過程當(dāng)中的密度狀態(tài)，從圖可知，試件密度從1.65 g/cm3到峰值點1.71 g/cm3所用時間約為0.05 ms，由峰值點到密度最終穩(wěn)定狀態(tài)所需時間約為0.04 ms，最終穩(wěn)定密度約為1.654 3 g/cm3，其體應(yīng)變約為0.26%。

圖4 加載過程試件密度時間歷時關(guān)系

圖5為在子彈速度為17.6 m/s下，仿真計算得到的試件密度分布狀態(tài)，試件端面內(nèi)部密度較大，其端面邊緣位置密度顯著減小，此現(xiàn)象與實驗結(jié)果呈現(xiàn)的試件邊緣部分稀疏情況基本相符。

在三軸向加載方式下，其軸向和徑向均有邊界約束條件，當(dāng)沖擊載荷達到一定臨界壓力值時，認為PBX炸藥試件不可壓縮，結(jié)合實驗測量和仿真計算結(jié)果，建立修正的玻爾茲曼關(guān)系進而描述該PBX炸藥實驗后的試件密度與沖擊載荷壓力之間內(nèi)在關(guān)聯(lián)，如下所示

圖5 實驗后試件密度分布狀態(tài)

(2)

式中：常數(shù)M1為初始密度相關(guān)量，M2為臨界密度相關(guān)量，(為中心點沖擊載荷壓力值(密度值為(M1+M2)/2時對應(yīng)的沖擊載荷壓力值)，β為載荷壓力常數(shù)。圖6是PBX炸藥試件在三軸向不同沖擊載荷作用下，實驗測量與仿真計算得到的試件密度。實驗擬合與仿真擬合關(guān)系中的相關(guān)常數(shù)M1、M2、α及β的值如表3所示。實驗測量和仿真計算結(jié)果擬合的試件密度與沖擊載荷之間內(nèi)在關(guān)聯(lián)的變量相關(guān)度Adj.R-Square值分別為0.763和0.868；由實驗測量和仿真計算結(jié)果擬合關(guān)系計算得到的試件初始密度誤差值約為0.18%和0.24%；結(jié)合圖6，可知修正的玻爾茲曼關(guān)系能較好描述PBX炸藥試件密度與沖擊載荷之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

圖6 實驗測量和仿真計算得到的試件密度

2.3 不同載荷壓力與細觀損傷模式內(nèi)在關(guān)聯(lián)

由于PBX炸藥本身不具有導(dǎo)電性能，在細觀分析之前需對其進行打磨噴金處理工序，噴金工作由哈爾濱工業(yè)大學(xué)的LEICA EM SCD050精密刻蝕噴鍍儀完成，如圖7所示；并采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HITACHI掃描電子顯微鏡完成細觀掃描分析，如圖8所示。

圖7 精密刻蝕噴鍍儀

圖8 HITACHI掃描電子顯微鏡

由SEM分析可知，在三軸向沖擊載荷作用下，隨著沖擊壓力的增大，PBX炸藥試件晶體顆粒與黏結(jié)劑發(fā)生脫離現(xiàn)象，由于受到?jīng)_擊壓縮波及軸向和徑向的約束作用，晶體顆粒產(chǎn)生了空間位移，嵌入至黏結(jié)劑當(dāng)中(如圖9所示)，并形成了孿晶帶。

圖9 晶體顆粒嵌入黏結(jié)劑

當(dāng)有外載荷對PBX炸藥試件沖擊作用時，在載荷作用過程中，其內(nèi)部會沉積一定的沖擊波能量，當(dāng)這一能量達到一定極限數(shù)值時，即超越晶體顆粒破壞強度所需能量時，由于尺寸較大晶體顆粒應(yīng)力高度集中，大顆粒晶體先于小顆粒晶體發(fā)生破裂，如圖10所示。顆粒破裂的同時伴有裂紋的產(chǎn)生，裂紋的傳播路徑較為復(fù)雜，但是從整體上來分析，隨著沖擊壓力的增大，損傷裂紋沿著較為薄弱的路徑不斷擴展，PBX炸藥晶體顆粒的損傷程度愈來愈嚴重，顆粒產(chǎn)生的碎塊增多(如圖11所示)。當(dāng)沖擊壓力達到345.3 Mpa時，PBX炸藥較小的晶體顆粒也發(fā)生了破碎現(xiàn)象，而且有的顆粒還發(fā)生類似融化的現(xiàn)象。

圖10 晶體顆粒破裂及表面裂紋

圖11 晶體顆粒碎塊

2.4 晶體顆粒與黏結(jié)劑表面剪切脫黏

由于該PBX炸藥晶體顆粒表面與黏結(jié)劑的黏合強度小于黏結(jié)劑本身強度，隨著外載荷沖擊波能量的增大，顆粒表面與黏結(jié)劑首先開始發(fā)生脫離現(xiàn)象，這一脫離現(xiàn)象使得顆粒與黏結(jié)劑之間出現(xiàn)“松動”現(xiàn)象，即晶體顆粒表面與黏結(jié)劑產(chǎn)生剪切脫黏，如圖9所示。晶體顆粒與黏結(jié)劑之間的脫黏應(yīng)力可應(yīng)用D.W.Nicholson的能量模型[12]來預(yù)測，由于該PBX炸藥晶體顆粒彈性模量較黏結(jié)劑基體彈性模量至少大3個量級，因此，相對于黏結(jié)劑基體彈性模量，晶體顆粒彈性模量可視為無窮大，則D.W.Nicholson的能量模型可表達為

(3)

式中：Eb為黏結(jié)劑基體的彈性模量，φ是PBX炸藥晶體顆粒的體積百分數(shù)，γ為單位面積顆粒與黏結(jié)劑界面的粘著力所做的功，r為PBX炸藥最大顆粒晶體的半徑。前期已對該PBX炸藥動態(tài)力學(xué)性能進行了詳細研究，可知該PBX炸藥黏結(jié)劑基體彈性模量Eb的值為3.5 MPa，顆粒體積百分數(shù)φ為93.5%，單位面積晶體顆粒與黏結(jié)劑界面黏結(jié)力做功γ為61 mJ/m2，該PBX炸藥晶體顆粒尺寸主要在50～300 μm，因此，顆粒最大半徑r取值為150 μm，將這些參數(shù)代入式(3)，可求得顆粒表面與黏結(jié)劑之間的脫黏應(yīng)力σd=0.6 MPa，因此，在較小沖擊載荷作用時，該PBX炸藥晶體顆粒表面與黏結(jié)劑之間的剪切脫黏現(xiàn)象就開始發(fā)生。

2.5 晶體顆粒斷裂

PBX炸藥試件在較小三軸向沖擊載荷作用下，就已出現(xiàn)顆粒與黏結(jié)劑之間的剪切脫黏現(xiàn)象，隨著沖擊載荷壓力的不斷增大，顆粒表面出現(xiàn)細觀損傷裂紋，如圖10所示。繼續(xù)增大沖擊載荷，急劇增長的沖擊波能量使得顆粒表面裂紋不斷沿應(yīng)力集中方向傳播，傳播過程中由于能量來不及轉(zhuǎn)換，因此，在顆粒細觀裂紋劇烈擴展過程中又萌生許多新的微裂紋，這些微裂紋又以同樣地方式傳播，錯綜復(fù)雜，進而使得晶體顆粒破碎，發(fā)生穿晶斷裂。確定其斷裂強度對研究該PBX炸藥細觀損傷機理具有重要意義，而該PBX炸藥晶體顆粒斷裂強度與其細觀損傷裂紋緊密相關(guān)，其晶體顆粒斷裂臨界應(yīng)力可由Griffith提出的考慮細觀損傷裂紋因素的晶體斷裂強度理論計算方法進行預(yù)估，表達如下[13]

(4)

式中：KIC為PBX炸藥晶體顆粒的斷裂韌性，其值為6.4×104(N·m-3/2)，C為二分之一的細觀損傷裂紋長度，結(jié)合實驗細觀分析結(jié)果，由式(4)計算得到的相關(guān)細觀裂紋斷裂強度，如表4所示。

表4中的實驗編號與表1實驗編號相對應(yīng)，P為三軸向沖擊載荷壓力，d為晶體顆粒直徑，a為晶體顆粒表面細觀損傷裂紋長度，c為二分之一晶體顆粒表面細觀損傷裂紋長度。

結(jié)合實驗細觀分析結(jié)果，由式(4)和表4可知，在38.9 Mpa沖擊載荷作用下，存在于晶體顆粒表面的細觀損傷裂紋長度參差不齊，從幾微米到幾十微米不等，大尺寸晶體顆粒與小尺寸晶體顆粒相比較，由于其應(yīng)力較為集中，較容易產(chǎn)生細觀裂紋，且長度值也較大，由Griffith細觀裂紋斷裂強度計算得到的σf值也相對較小，說明大尺寸晶體顆粒先于小尺寸晶體顆粒發(fā)生斷裂破壞，這與實驗細觀分析結(jié)果基本相符。隨著三軸向沖擊載荷壓力的增大(如在實驗編號4中的170.1 Mpa沖擊載荷作用下)，在直徑尺寸為50 μm晶體顆粒表面發(fā)現(xiàn)0.4 μm細觀裂紋發(fā)生斷裂破壞現(xiàn)象，由式(4)計算得到的σf=80.8 Mpa，而沖擊載荷(170.1 Mpa)遠大于該裂紋斷裂破壞強度，因此，這一斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生與Griffith裂紋斷裂強度計算理論相吻合。

3 結(jié) 論

(1) 在三軸向沖擊加載作用下，PBX炸藥試件密度與沖擊載荷壓力之間修正的玻爾茲曼關(guān)系與實驗數(shù)據(jù)基本吻合，可用于預(yù)測該PBX炸藥試件在不同沖擊載荷壓力下其密度與外載荷壓力之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

(2) 徑向和軸向約束條件的存在，使得黏彈性PBX炸藥試件宏觀損傷沒有出現(xiàn)明顯破壞形式；而在細觀方面，晶體顆粒表面與黏結(jié)劑之間在較小沖擊載荷壓力小就已發(fā)生剪切脫黏，隨著沖擊載荷壓力增大，逐漸出現(xiàn)孿晶帶、晶體顆粒破碎，甚至產(chǎn)生晶體顆粒融化細觀損傷現(xiàn)象。

(3) 結(jié)合SEM測試分析結(jié)果，表明Griffith晶體顆粒細觀裂紋斷裂強度能較好應(yīng)用于該PBX炸藥晶體顆粒斷裂機理研究，可為PBX炸藥試件在不同復(fù)雜應(yīng)力加載狀態(tài)下的晶體斷裂準則提供借鑒。